Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы: Проблема загрязнения лесных экосистем Москоского мегаполиса тяжелыми металлами 11
1.1 Экологический мониторинг как система оценки и прогноза изменений природных процессов 11
1.2 Тяжелые металлы: понятие и источники их поступления в почву 16
1.3 Аккумуляция и распределение тяжелых металлов в почвенном и растительном покрове 28
1.4 Лесные экосистемы и особо охраняемые природные территории 33
1.5 Экологические проблемы лесных экосистем урбанизированных территорий 38
1.6 Изучение поведения тяжелых металлов в лесных особо охраняемых природных территориях г. Москвы 44
ГЛАВА II. Объекты и методы исследования 46
2.1 Краткая характеристика Северного административного округа (САО) г. Москвы 46
2.2 Лесная опытная дача РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева 54
2.2.1 История создания и исследования Лесной опытной дачи 54
2.2.2 Характеристика физико-географических и почвенно экологических условий Лесной опытной дачи 57
2.2.3 Особенности почвенного покрова 61
2.3 Локальные объекты исследования на Лесной опытной даче 64
2.4 Методы исследований 68
ГЛАВА III. Морфогенетические и функционально экологические особенности основных вариантов дерново подзолистых почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА МСХА имени К.А. Тимирязева
3.1 Основные вариантыдерново-подзолистых почв, занимающих различные положения в мезорельефе 71
3.2 Пространственно-временная изменчивость химических показателей дерново-подзолистых почв ключевых участков ЛОД 85
3.3 Сезонная динамика физических свойств исследуемых почв 88
3.4 Оценка антропогенного воздействия на растительный и почвенный покров Лесной опытной дачи 93
3.5 Пространственно-временная изменчивость микробиологической активности исследуемых почв 100
Глава IV. Средневременная динамика содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Лесной опытной дачи РГАУ МСХА имени К.А. Тимирязева 106
4.1 Особенности пространственно-средневременной изменчивости содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв на различных элементах мезорельефа 106
4.2 Влияние автотранспорта на пространственно- временную изменчивость содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 109
4.3 Распределение подвижных форм тяжелых металлов в дерново подзолистых почвах ключевых участков фоновогоэкологического мониторинга 113
ГЛАВА V. Годичная динамика содержания тяжелых металлов в напочвенной растительности Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 118
5.1 Средневременная динамика содержания тяжелых металлов в пробах напочвенной растительности фоновых ключевых участков Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 118
5.2 Оценка влияния транспортной магистрали на содержание тяжелых металлов в объединенных пробах напочвенного растительного покрова 120
5.3 Проявление адаптивных реакций растительности в условиях фонового и техногенного загрязнения почвенного покрова лесных территорий тяжелыми металлами 122
Глава VI. Пространственно-временная изменчивость содержания тяжелых металлов в снежном покрове Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 128
6.1 Годичная динамика содержания тяжелых металлов в снегозапасе ключевых участков экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 128
6.2 Влияние автомагистрали на содержание тяжелых металлов в напочвенном весеннем снегозапасе техногенных трансект 131
6.3 Экологическая оценка средневременной миграции тяжелых металлов в системе «снежный покров – почва» исследуемых объектов
Выводы
Библиографический список
- Лесные экосистемы и особо охраняемые природные территории
- Локальные объекты исследования на Лесной опытной даче
- Сезонная динамика физических свойств исследуемых почв
- Влияние автотранспорта на пространственно- временную изменчивость содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Введение к работе
Актуальность проблемы. Техногенное загрязнение
урбанизированных территорий тяжелыми металлами является одной из основных причин ухудшения экологической обстановки в городе (Водяницкий и др, 2010; Черников и др., 2013). Среди многочисленных загрязнителей наибольшую опасность представляют собой тяжелые металлы (ТМ) из-за токсичности их избыточных количеств, своей долговечности и практической невыводимости из системы: «почва – растения – животные – человек» (Ревич и др.,1990, Яшин и др., 2010). В химии тяжелые металлы выделяются в особую группу, поскольку при их высокой концентрации они оказывают токсическое действие на растения (Васенев и др., 2007). Среди приоритетных загрязнителей биосферы наибольшую опасность представляют свинец, цинк, медь, кадмий («Агроэкология», 2000; Жидеева и др., 2000; 2002; «Environmental heavy metal …», 2010; «Heavy Metals…», 2011; Тишкина и др., 2011), т.к. их техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. В связи с этим комплексные исследования в области экологического мониторинга становятся все более актуальными (Васенев, Букреев, 1993; «Методика…», 2004), в частности на территориях крупных городов, характеризующихся высоким антропогенным воздействием.
Степень разработанности темы. Экологический каркас Московского
мегаполиса – крупнейшего в Европе, сформирован массивами лесных
экосистем, среди которых можно выделить Лесную опытную дачу РГАУ-
МСХА имени К.А. Тимирязева, в пределах которой на протяжении 150 лет
проводятся систематизированные почвенно-экологические наблюдения
(Гречин, 1957; Мосина, 2003; Васенев и др., 2007; Раскатова, 2009; Яшин и
др., 2010; 2014; Буринова, 2011; Визирская, 2014; Наумов и др., 2014).
Одним из интегральных критериев оценки экологического
функционирования лесных экосистем является оценка содержания и
запасов тяжелых металлов в базовых компонентах экосистем. Оценка
экологического состояния представительных ландшафтов Лесной опытной
дачи осложняется высокой пространственно-временной изменчивостью
содержания и распределения тяжелых металлов, морфогенетических и
физико-химических свойств почв фоновых ландшафтов, большой
вариативностью их функционального использования (селитебные,
рекреационные, зоны промышленного производства). В то же время
высокая динамичность свойств лесных экосистем (в частности по
содержанию и запасам ТМ) обуславливает необходимость
мониторинговых исследований для объективной оценки их экологического функционирования и состояния.
Цель и задачи. Цель работы провести комплексные экологические исследования изменения годичной динамики содержания тяжелых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu) в базовых компонентах фоновых лесных
экосистем северной части Московского мегаполиса (на примере Лесной
опытной дачи РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева), с оценкой
основных факторов, влияющих на варьирование исследуемых
поллютантов в системе: «снежный покров – почва – напочвенная растительность».
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Мониторинговые наблюдения за годичной динамикой и поведением приоритетных представителей тяжёлых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu) в верхних горизонтах подзолистых почв представительных ландшафтов Лесной опытной дачи (2012–2014).
-
Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в весеннем снегозапасе исследуемых экосистем, с оценкой модулей их техногенного поступления и закономерностей пространственной дифференциации.
-
Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в напочвенной растительности на представительных ключевых участках фонового экологического мониторинга и трансектах Лесной опытной дачи, идущих от основного линейного источника загрязнения к центру лесного массива.
-
Экологическая оценка годичной динамики и основных факторов пространственной дифференциации содержания и запасов исследуемых тяжелых металлов в базовых компонентах представительных вариантов фоновых лесных экосистем северной части Московского мегаполиса (на примере Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева).
Научная новизна. Проведена экологическая оценка годичной и
сезонной динамики содержания исследуемых тяжелых металлов (Cd, Pb,
Zn, Cu) в базовых компонентах представительных фоновых лесных
экосистем Московского мегаполиса на примере Лесной опытной дачи
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Установлена определяющая роль
мезорельефа (даже в случае форм, характеризующихся малоконтрастной
пространственной дифференциацией) и линейных источников
техногенного загрязнения (дорожная сеть) в характере пространственной дифференциации содержания и запасов тяжелых металлов в снегу, почвенном покрове и растительности фонового лесного биогеоценоза.
В результате многолетнего экологического мониторинга фоновых лесных экосистем показано значительное пространственное варьирование по формам рельефа содержания тяжелых металлов в их базовых компонентах:
а) для почвы: Pb – в 2,0-3,6, Cu – в 0,8-2,0, Zn – в 1,2-1,6, Cd– в 1,7-11 раз;
б) для снега: Pb – в 1,4-1, 8, Cu – в 1,3-1,5, Zn – в 1,5-1,9, Cd – в 1,2 – 2,2
раза;
в) для объединенных проб напочвенной растительности: Pb – в 1,8-2,5, Cu
и Zn – в 2,0, Cd –в 2,8 раза
– что сопоставимо с техногенным трендом влияния на них автотранспорта,
как основного линейного загрязнителя в условиях Москвы, и должно
приниматься во внимание при планировании мониторинговых
исследований и интерпретации их результатов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Данная
работа является продолжением и развитием проводимых на Лесной
опытной РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева с 2006 года
мониторинговых экологических наблюдений за содержанием и
накоплением тяжелых металлов в базовых компонентах лесных экосистем северной части Московского мегаполиса (Васенев и др., 2007; Раскатова,2008; Буринова, 2011; Васенев и др., 2015).
Исследования проводились в рамках единой программы
экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева, как традиционного объекта фонового мониторинга
Московского мегаполиса, для уточнения закономерностей
пространственного варьирования экологического состояния почв фоновых территорий Москвы и уровня загрязнения различных функциональных зон Московского мегаполиса. Полученные результаты по диапазону варьирования содержания тяжелых металлов в базовых компонентах лесных экосистем, (в среднем xmax/xmin=1,77), представляют несомненный интерес для решения задач планирования мониторинга содержания тяжелых металлов в различных функциональных зонах города и интерпретации его результатов.
Методология и методы диссертационного исследования. Оценка
содержания тяжелых металлов, агрохимических и физико-химических
свойств исследуемых почв проводилась по принятым ГОСТированным
методикам. Статистическая обработка экспериментальных данных для
установления взаимосвязей между изучаемыми параметрами
производилась в пакете EXCEL-2010, STATISTICA-8.0.
Положения, выносимые на защиту:
-
Годичная динамика и накопление тяжелых металлов в снежном покрове представительных фоновых лесных экосистем Московского мегаполиса напрямую связаны с продолжительностью зимнего периода, количеством дней с устойчивым снежным покровом и формой мезорельефа.
-
Основным фактором значительной (в среднем – до 2,9 раз) пространственной дифференциации содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв фоновых лесных экосистем мегаполиса является мезорельеф и определяемые им экогеохимические формы ландшафта.
-
Адаптивная реакция растительности на техногенное загрязнение проявляется в значительном снижении коэффициентов биологического поглощения тяжелых металлов при увеличении их содержания в верхних почвенных горизонтах аккумулятивных элементов ландшафта (в среднем на 0,4 КБП).
Степень достоверности и апробация результатов. Работа выполнена с использованием современных методик и оборудования. Все результаты были статистически обработаны. Основные положения диссертации были изложены на заседаниях кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; на Международных научных конференциях молодых ученых в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2013, 2014, 2015), XVI и XVIII «Докучаевских молодежных чтениях» (Санкт-Петербург, 2013 и 2015); на Московской международной летней экологической школе MOSES – 2013, 2015; на 18-й Международной Пущинской школе-конференции «Биология – наука XXI века»; на XXII Международной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из которых 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 – на иностранном языке.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов, изложенных на 157 страницах машинописного текста, содержит 37 таблиц и 38 рисунков. Список литературы насчитывает 229 наименований, в том числе 28 на английском языке.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю д.б.н., проф. И.И. Васеневу, за ценные консультации – профессорам И.М. Яшину, Л.В. Мосиной, В.А. Черникову, доценту Е.Б. Таллеру, за помощь при проведении анализов и обсуждении результатов – заведующей кафедры микробиологии, доценту Селицкой О.В, к. т. н. В.В. Горину и сотрудникам химической лаборатории ООО «ЭКОГЕОТЕХ»: к. б. н. Б.В. Багиной и Ф.А. Иванникову, П.А. Васильеву и М.Е. Малафеевой; к.б.н. М.М. Визирской и ассистенту М.В. Тихоновой, а также всем преподавателям и сотрудникам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Лесные экосистемы и особо охраняемые природные территории
Согласно статье 12, п. 2 и статье 14, п. 2 закона г. Москвы № 31 от 04.07.2007 система показателей мониторинга подбирается с учетом функционального использования изучаемой территории, физико-химических, биологических и других показателей. При этом показатели можно менять в случае изменения функционального назначения территории.
Выбор контролируемых во времени параметров для выявления природных и антропогенных изменений является важным аспектом почвенного мониторинга, потому что показатели изменений могут являться сигналами начала развития негативных процессов и разрушения. Показатели должны быть информативны (отражать состояние изучаемых почв), чувствительны к экологической обстановке, учитывать функциональное использование территории и возможные объекты воздействия, методы их аналитического определения должны быть доступны, а полученные данные сопоставимы, точны и достоверны, т.е. система показателей почвенно экологического мониторинга должна включать специфические и неспецифические показатели (Гришина, 1991). Среди специфических показателей определяют общее содержание загрязняющих веществ и их содержание в вытяжках 1н СН3СООNH4 и 1н KCl. Среди неспецифических показателей определяют рН, гумус, ионно-обменные свойства, микробиологические показатели. Л.А. Гришина совместно с соавторами (1991) разделяют показатели почвенно-экологического мониторинга по времени исследований независимо от степени деградации ландшафта: 1. Показатели ранней диагностики негативных изменений свойств почв (показатели биологической активности почв, интенсивность выделения углекислого газа почвой, активность азотфиксации и денитрификации, нитрификационная способность почв, кислотно-основный, ионно-солевой, окислительно-восстановительный режимы почв). 2. Средневременные показатели устойчивости свойст почв, описывающие краткосрочные изменения (2-5лет) и текущее состояние свойст исследуемых почв (влажность, температура и т.д.). 3. Показатели долгосрочной диагностики нарушений почвообразования (5-10 лет), отражающие негативные тенденции антропогенного загрязнения (физико-морфологические свойства почв (плотность, структура, водопроницаемость, гран. состав), содержание и запасы тяжелых металлов, состав почвенных минералов, содержание и запасы органического вещества).
При проведении экологического мониторинга для получения грамотных данных о состоянии почв и почвенного покрова необходимо использовать эталоны сравнения, или объекты базового (фонового) мониторинга (Гришина, 1991). Термин «эталон сравнения» подразумевает наличие условной точки отсчета по определенному параметру типичной почвы в конкретном регионе (Добровольский, 2003, 2010). В качестве «эталонов сравнения» могут быть использованы аналоги техногенных ландшафтов или ландшафты с минимальной антропогенной нагрузкой и степенью деградации. Для проведения мониторинговых наблюдений необходимо иметь параметры отправной точки (точки начала наблюдений) состояния почв.
Для почв, расположенных в городских условиях, проблематично подобрать естественный аналог, поскольку все они характеризуются сильно выраженной мозаичностью и значительными отклонениями от природных аналогов. Поэтому, в качестве эталонов сравнения в городах могут быть почвы лесных массивов или ООПТ, потому, что их почвы испытывают минимальную нагрузку и в большей степени аналогичны природным. Основная функция почвенно-экологического мониторинга ООПТ заключается в предоставлении оперативной информации о фактическом состоянии экосистемы, для быстрого устранения негативных изменений, в случае их обнаружения.
К основным задачам почвенного мониторинга ООПТ на сегодняшний день относятся: контроль за физико-химическими показателями (гумусовое состояние, ЕКО, ОВП, валовые и подвижные формы основных элементов питания); контроль за состоянием кислотно-щелочных параметров почв, что очень важно для крупных промышленных центров и прилегающих к ним территорий с высокой кислотностью атмосферных осадков; контроль содержания в почвах органических и неорганических загрязнителей, например, тяжелых металлов вследствие глобальных выпадений (Яшин, 2000;Мосина, 2003); контроль местного загрязнения почв тяжелыми металлами в зонах сильного скоплениястационарных и мобильных источников загрязнения, ТБО и ПАВ в районах с высокой концентрацией населения; долговременный и сезонный (по фазам развития растений) режимные наблюдения за структурным состоянием, влажностью, температурой и водно-физическими характеристиками почв; инспекторский контроль размеров и правильности отчуждения почв для промышленных и коммунальных целей; наблюдение и контроль плотности почв на территориях, характеризующихся повышенной рекреационной нагрузкой.
Эти задачи являются наиболее важными и взаимосвязанными, но они не составляют исчерпывающего перечня задач, стоящих перед почвенным мониторингом. Так, увеличение почвенной кислотности отрицательно сказывается на возможностях почвенно-поглощающего комплекса (ППК) связывать ТМ. При возрастании значений плотности почв происходит уменьшение площади рабочей поверхности почвенных агрегатов и и их разрушение, что также ведет к уменьшению способности ППК связывать ТМ, а также является причиной нарушения водно-физических свойств почвы, что находит негативное отражение на ее лесорастительной функции.
Локальные объекты исследования на Лесной опытной даче
Природные условия Лесной опытной дачи относятся к таёжно-лесной зоне подзоне смешанных хвойно-широколиственных лесов (Тимофеев, 1973; Демидов, 2006). Климат Лесной опытной дачи формируют средние климатические показатели, характерные для умеренно-континентальной зоны. Для описания климатической характеристики территории Лесной опытной дачи использовались данные метеорологической обсерватории имени В.А. Михельсона при РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (в 2х км от ЛОД), которая подчеркивает, что метеорологические показатели Лесной опытной дачи определены ее расположением в Московском мегаполисе.
В течение вегетационного периода (май – сентябрь) выпадает 366 мм – практически половина от годового количества осадков. Летний период характеризуется максимальным количеством осадков (в июле – августе), осенний период характеризуется значительным количеством осадков, минимальное количествоосадков – зимой (в январе – феврале).
Число дней с осадками (в виде дождя или снега) в среднем составляет 172 (от 121 до 216), т. е. осадки наблюдаются через день. Летом часто бывают дожди с грозами; среднее количество дней со снегом – 78. 20% от общего количества осадков составляют снежные осадки. Средняя дата выпадения снега – 3 ноября (min – 9 октября, max – 9 января), сходит 11 апреля (min – 23 марта, max – 27 апреля). Среднее количество дней с устойчивым снежным покровом в поле составляет 139 (126 – 168 дн.), в лесу – 181 (141-218). Средняя высота снежного покрова равна 30-35 см. Средняя глубина промерзания почвы на открытых участках в феврале равна 40 см. Среднегодовая температура воздуха равняется 3,7о С. Количество дней с положительными температурами в год достигает 206-216. Относительная влажность воздуха за год в среднем 79%, минимальная в мае – 66%, максимальная – в ноябре – декабре – 87%. Среднегодовая скорость ветра – год 4 м/сек с преобладанием ветров западных и юго-западных направлений (данные метеообсерватории имени В.А. Михельсона РГАУ-МСХА). Наиболее сильные ветра отмечены в январе, марте, ноябре. Среднегодовое количество дней с наиболее сильными ветрами, скорость которых достигает 15 м/сек и более, равняется 20. Сильные ветры явлются причиной ветровала и бурелома.
Лето можно охарактеризовать как умеренно-теплое, с ярко выраженной континентальностью климата. Дневная температура июля (в тени) достигает 30С и выше, а ночью иногда опускается до 3С. Абсолютный максимум положительных температур наблюдается в июле – августе. Среднемесячная температура воздуха в самом теплом месяце – июле равна 17-19оС и выше. Количество дней с теплой температурой в среднем 23.
В июне иногда бывают поздне весенние заморозки, а в мае – снегопады. В отдельные годы весна наступает рано. При весеннем таянии снега на поверхности почвы могут образовываться лужи и поверхностный сток.
Среднемесячная температура воздуха самого холодного января – -10 11о С. В последние десятилетия климат города, и в частности Северного административного округа, в котором расположен объект наблюдения, характеризуется значительным потеплением, растет среднегодовая температура. Отмечено увеличение среднегодового количества осадков, что может быть обусловлено глобальным потеплением, естественной цикличностью климата, активным ростом городской территории и увеличивающейся концентрацией городской застройки, наряду с ростом численности населения, количества автомобилей и т.д.
Средняя высота территории над уровнем моря составляет 166 м, а уровень грунтовых вод залегает на глубине 5 м. Грунтовые воды выбиваются на поверхность на заболоченном участке первого квартала и истоке реки Жабенка в ключах третьего квартала на высоте 162 м над уровнем моря. А при высоте 172 м грунтовые воды опускаются до отметки 10м (Тимофеев, 1971; Наумов 2010).
Большая часть территории Лесной опытной дачи располагается на моренной полого-увалистой равнине, состоящей из валунного суглинка с прерывистым перекрытием покровного суглинка (Тимофеев 1966, 1973; Гречин, 1957; Довлетярова, 2005; с использованием Геоморфологической карты г. Москвы ИГ РАН (М 1:25000)). Северо-западная и западная части территории сложены отложениями легкого гранулометрического состава (супеси, легкий суглинок) и формируют флювиогляциальную равнину.
Типичной почвообразующей породой изучаемой территории являются моренные красно-бурые суглинки (кварталы 6, 7, 11), имеющие двучленное строение: первый слой 30-40 см состоит из легких пылевато-песчаных суглинков, а второй (до глубины 25-3,0 м) – из легких и средних песчаных суглинков, в которых иногда встречаются прослойки песка. Значительно реже, как правило, на повышенных участках, встречаются глинистые отложения (мощностью 5-6 м), подстилаемые песком. Нижняя часть суглинистой толщи представлена валунами кварда, песчаника и гранита.
Почвообразующая порода северной и северо-западной территорий ЛОД представлена песками и супесями с подстиланием на холме суглинком (кварталы 14, 12, 9, 1, частично 2). Двучленное строение харктерно и для моренных песков и супесей: верхняя часть (25-40 см) сложена легким песчано-крупнопылеватым суглинком, а более глубокие слои (до 3 м) – красно-бурой мореной супесью (Наумов, 2009).
В пределах Тимирязевской академии ЛОД занимает самую высокую часть – высокий плоский водораздельный холм с пологим юго-западным склоном и более крутым склоном северо-восточной экспозиции. Максимальная величина падения равна 0,04 м на 1 пог. м. (у Оленьего болота). Максимальная высота находится между 7 и 11 кварталом и составляет 175 м. над уровнем моря, минимальная – 160 м (1 и 3-й квартал в низине у Большого академического пруда). Амплитуда перепада высот равна 15 м (160 – 175 м н.у.м.) (Нестеров, 1935; Тимофеев, 1966; Поляков, 1993; Наумов, 2009; Буринова, 2012; Визирская, 2014)
Сезонная динамика физических свойств исследуемых почв
Сравнительный анализ химических показателей верхних горизонтов дерново-подзолистых почв на ключевых участках фонового экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева выявил их значительную пространственную и временную дифференциацию (табл. 3.2.1): от вершины небольшого моренного приводораздельного холма к нижним частям его склонов СВ и ЮЗ экспозиций (табл. 3.2.1).
Содержание органического углерода в 2011 году характеризуется его значительным однонаправленным возрастанием по кaтeнe c ceвepо-воcтокa нa юго-зaпaд: с 2,09% до 3,48 % (в 1,4 раза). В 2013 году в нижних частях склонов северо-восточной и юго-западной экспозиций НСВ, СЮЗ и на вершине моренного холма (ВМХ) (точки №№ 1, 5 и 3, соответственно) выявлены более высокие значения содержаний органического углерода в 1,03 и 1,18 раз по сравнению с 2011, что может быть обусловлено более высокими значениями растительного опада и скоростью его разложения. Увеличение содержания органического углерода может быть обусловлено развитием дернового процесса почвообразования и активным разложением листвы преобладающих лиственных пород на участке при образовании органического вещества.
На ключевом участке №3 фонового экологического мониторинга – вершина моренного холма (ВМХ) – с 2011 по 2013 гг. произошло снижение значений рН с 4,9 до 4,4. Нижние части склонов северо-восточной и юго-западной экспозиции (НСВ и СЮЗ, соответственно) имеют наиболее «кислые» значения рН в 2011 и 2013 гг. по сравнению с участком ВМХ: 4,5 – 3,9 и 4,4–4,3, соответственно. Для средних частей склонов северо-востояной экспозиции (ССВ) и юго-западной (СЮЗ) характерны промежуточные значения уровней кислотности (табл. 3.2.1).
В 2013 году выявлены более высокие значения гидролитической кислотности, насыщенности почвенно-поглощающего комплекса основаниями, содержания обменных оснований (табл. 3.2.1), что вероятно может быть обусловлено подкислением почвенной среды. Гидролитическая кислотность (Нг) характеризуется так же пространственной и временной изменчивостью: от минимального значения на вершине моренного холма (21,24 мг-экв нa 100г) с постепенным увеличением при движении к нижним частям его склонов (22,37 мг-экв нa 100г на участке НЮЗ и 21,53 мг мг-экв нa 100г на участке НСВ).
Значения суммы поглощенных оснований (S) также подчеркивают ранее выявленный тренд: минимальные значения отмечены на вершине моренного холма (ВМХ) – 7,35 мг-экв нa 100г, которые возрастают при движении вниз по склонам и достигают максимальных значений: 7,88 мг-экв нa 100г (на участке НСВ) и 8,40 (на участке НЮЗ).
В более ранних работах (Яpков, 1956; Кaуpичeв,1996; Зaйдeльмaн, 1998,;Яшин,2010; Буринова, 2011) было показано, что элювиально-глеевый процесс и подкисление взаимосвязаны между собой, что подтвердилось в наших исследованиях: максимальные знaчeния гидpолитичecкой киcлотноcти выявлены в почвaх нижних чacтей cклонов, где протекают процессы оглeeния.
Вследствие течения вышеуказанных процессов отмeчaeтcя cильно выpaжeннaя нeнacыщeнноcть почвeнно-поглощaющeго комплeкca (ППК) основаниями иccлeдуeмых гоpизонтов A1 – А2, кaк cлeдcтвиe очeнь низкого cодepжaния в них обмeнных оcновaний – оcобeнно в почвaх хоpошо пpомывaeмых позиций (CCВ и НЮЗ), степень насыщенности основаниями – около 20%). 3.3 Ceзоннaя динaмикa физичecких cвойcтв иccлeдуeмых почв
Пpовeдeнныe peжимныe нaблюдeния за динамикой тeмпepaтуpы, влaжноcти, плотноcти, твёpдоcти почв зa 2009-2014 годa выявили знaчитeльное ceзонное и пространственно- временное варьирование исследованных свойств (тaбл. 3.3.1).
После весеннего помачивания почв в начале вегетационного периода (в мае) установлены наибольшие показатели влaжноcти (22,9-58,3%) и наименьшие – тeмпepaтуpы (7,1-13,8оC), что коррелирует с низкой твердостью (125-255 Н/cм2) и плотноcтью (0,89-1,13 г/cм3) почв.
В ходе увеличения температур воздуха на протяжении вегетационного периода (мaй-aвгуcт) верхние почвенные горизонты ключевых участков фонового экологического мониторинга постепенно прогреваются в среднем приблизительно нa 15 гpaдуcов (pиc.3.3.1). Увеличение температур сказывается на влажности, которая плавно снижается до 7,2-22,9% (в 1,3-3,5 paзa). На фоне роста температур воздуха и почвы, прогревания верхних почвенных горизонтов и снижения показателей влажности почвы происходит возрастание значений твердости вплоть до двухкратного(125-255 Н/cм2) и плотности (0,89-1,13 г/cм3).
В 2010 году в моcковcком peгионе были отмечены aномaльно выcокиe знaчeния тeмпepaтуpы воздухa, что сказалось на peжимном cоcтоянии иccлeдуeмых почв. В aвгуcтe были зафиксированы критические для почвенной биоты значения температур (22,6-25,2 оC) и влажности (7,4-9,9 %) верхних горизонтов почв. Наблюдалось peзкоe уплотнeниe, а также повышeниe твёpдоcти почв в cpaвнeнии c 2009 годом. Нaиболee выpовнeнным по количecтву оcaдков был период 2011-2014 гг., для которого характерно минимaльное варьирование показателей сезонной динамики эмиccии углeкиcлого гaзa.
В результате средневременных (2009 – 2014гг) мониторинговых наблюдений за динамикой основных физико-химических параметров исследованных вариантов дерново-подзолистых почв (температура, влажность, плотноcть, твёpдоcть почв) показана их выраженная пространственно-временная изменчивость (тaбл. 3.3.1, рис. 3.3.1): по элементам мезорельефа, в течение вегетационного периода, а также в по годам исследований.
Изменение одних показателей в течениие вегетационного периода влечет за собой изменение других. Так, с повышением температуры воздуха и прогреванием верхних почвенных горизонтов происходит снижение влажности почвы и как следствие, увеличение значений твердости почв.
Влияние автотранспорта на пространственно- временную изменчивость содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Проведенный анализ многолетних исследований за содержанием и запасами тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn и Cd) в базовых компонентах лесных экосистем северной части Московского мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ МСХА имени К.А. Тимирязева) за 2012-2014 годы и сопоставление с данными, ранее проведенных исследований Б.В. Буриновой (2009-2011гг.), подчеркивает ярко-выраженную пространственную и временную дифференциацию содержания и запасов изучаемых поллютантов, в значительной мере определяемую положением в структуре мезорельефа в фоновом ядре лесного массива и наличием яркого тренда при рассмотрении удаления от основного источника загрязнения – автодороги.
Основным фактором природной дифференциации содержания и запасов исследуемых тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn, Cd) является мезорельеф. Средневременная оценка содержания тяжелых металлов в сопряженных образцах верхних горизонтов почв показала увеличение валового содержания, следовательно, и запасов Pb, Cu, Zn от вершины пологого небольшого приводороздельного холма к нижним частям его склонов северо-восточной и юго-западной экспозиции: 2-3,6; 0,8 – 2; 1,2 - 1,6 раза, соответственно. Концентрации и запасы Cd с 2009 по 2014 гг. увеличивались однонаправлено с северо-востока на юго-запад. Различия по запасам тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах возрастают по годам, а также в ряду: Pb Cu Zn Cd, что согласуется с разницей в мобильности исследуемых элементов.
Проведенные исследования содержания и запасов тяжелых металлов в образцах напочвенного живого покрова фоновых ключевых участков экологического мониторинга ЛОД подтвердило ранее заявленную закономерность увеличения содержания и, следовательно, запасов тяжелых 153 металлов по элементам рельефа от вершины холма к подножьям склонов. На трансектах «А» и «Б» в изученных образцах живого напочвенного покрова выявлено постепенное «разбавление» содержания, и как следствие этого, запасов исследуемых элементов с удалением от дороги (Pb – 1,8-2,3, Cu и Zn – в 2 раза, Cd – 2,6 раз). Важно подчеркнуть, что более высоким собержанием ТМ характеризуются точки трансекты «А» с преобладанием аэрального пути поступления поллютантов, однако, наибольшие значения запасов элементов (за исключением точки «0 м»), установлены на трансекте «Б», находящейся в пониженном элементе рельефа и имеющей более выскоие показатели биомассой напочвенной растительности. При увеличении концентрации тяжелых металлов в верхних горизонтах исследуемых дерново-подзолистых почв проявляется способность живого напочвенного покрова снижать удельные величины накопления, что находит отражение в обратной корреляционной зависимости между коэффициентами биологического поглощения тяжелых металлов и их содержанием в прикорневом слое напочвенной тарвянистой растительности. Средневременная изменчивоcть концентраций и запасов тяжелых металлов в весеннем снегозапасе под влиянием неконтрастного мезорельефа имеет ранее отмеченный тренд распределения загрязнителей от минимума на вершине моренного приводораздельного холма к максимумам в нижних частях склонов, при низкой антропогенной нагрузке на ключевые участки фонового экологического мониторинга Лесной опытной дачи.
В результате изучения пространственно-средневременной изменчивости содержания и запасов тяжелых металлов в весеннем снегозапасе на точках наблюдения техногенных трансект А «Светофор» и Б «Ложбина» выявлено влияние расстояния от основного линейного источника загрязнения на содержание и запасы ТМ. Так, с удалением от автодороги происходит снижение концентраций, и следовательно, запасов поллютантов: Pb – в 2,0-2,7, Cu – в 1,4-2,6, Zn – в 1,8-2,4, Cd – в 1,3 раза. Аналогичное уменьшение концентраций и запасов характерно для верхних почвенных горизонтов: свинца – в 3,0-5,0, меди – в 3,0, цинка – в 2,5-3,0, кадмия – в 9,0-19,0 раз.
Более яркий тренд характерен для трансекты «А» с преобладанием аэрального поступления тяжелых металлов. На трансекте «Б», где дополнительными источниками поступления тяжелых металлов являются поверхностный и внутрипочвенный сток, выявлена более сглаженная кривая «разбавления» загрязнения ТМ, что свидетельствует о наличии латерального переноса элементов.
Важно подчеркнуть выраженный тренд постепенного увеличения содержания и запасов исследуемых тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn, Cd) за период проведенных нами исследований (2012-201 гг.) и предыдущими авторами мониторинговых наблюдений (2009-2011 гг.). Превышение ПДК было отмечено для концентраций и запасов свинца – на расстоянии 0 – 50 м от дороги, и цинка – на расстоянии 0 – 15 м от дороги, в почвах обеих трансект.